武汉大学蔡力、杜懿阳 等：火箭触发闪电的回击电流及电场特征分析

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雷电是一种自然放电现象，能够在短时间内从雷暴云向地面转移大量电荷，会对电力系统造成严重的影响，甚至还有可能威胁人身安全。而火箭触发闪电技术能够使闪电在指定地点和时间范围内发生，可以实现对光学设备观测视野的提前规划、对雷电流的直接测量及对闪电近距离电磁场进行同步记录。2019年夏季武汉大学团队在广州开展了火箭引雷试验，成功触发了14次闪电，总回击数达74次，对火箭引雷的回击电流及不同距离电场波形特征进行了分析。

研究背景

雷电是一种具有长距离、大电流、强电磁辐射特征的瞬时放电事件。雷电在放电过程瞬间会产生巨大的破坏影响，造成一系列的雷电灾害，影响电力系统、通信系统、控制系统的运行。直接雷击还会威胁到人和动物的生命安全、发生火灾等，给经济生产带来巨大的损失。

对雷电的科学探求一直是众多学者关注的问题，但由于雷电的瞬时性和随机性，很难对雷电进行稳定的科学观测。人工触发闪电技术的发展，即通过向雷云发射拖带金属导线的小火箭，可使雷电发生在预知的时间和地点，为直接测量雷电流及电磁场提供了条件。

论文所解决的问题及意义

尽管世界各地都有分析研究雷电放电相关的参数特征，但总体而言，我们仍需积累足够的不同区域的雷电放电数据，以确定雷电放电的方式，提供防雷工作所需的准确的雷电放电参数。本文分析了火箭触发闪电的回击电流及58m、90m和1600m处的电场波形特征，研究了传播距离对电场特征参数的影响，还分析了RS不同距离电场幅度与峰值电流间的关系。

雷击地面回击电场波形特征可以用来对云闪和地闪进行波形识别，回击电场幅度可以用来对雷电流幅度进行测量，基于雷击回击电场的闪电定位系统已经在电力、气象系统得到广泛应用，研究回击电场波形特征对于闪电类别的精确识别、雷电流的精确测量具有重要意义。

论文方法及创新点

1、人工引雷试验

试验装置分布如图1所示。使用1mΩ同轴分流器作为电流测量装置，使用平板天线作为垂直电场的测量设备。布置了3个电场观测点，分别距离雷击点58m、90m和1600m。2019年夏天共成功引发了14次火箭触发闪电，总回击数达74次，每次闪电的平均回击数为5.3次，单次闪电的最大回击次数为14次。

图1 人工引雷试验现场示意图

2、回击电流波形特征分析

统计分析了回击的电流特征参数。回击间隔时间、峰值电流、10-90%上升时间、半峰值宽度、1ms转移电荷和1ms作用积分的几何平均值分别是38.45ms、12.38kA、0.25μs、8.31μs、0.68C和2.12× 10 3 A 2 · s 。1ms转移电荷量和1ms作用积分量均与峰值电流呈幂函数相关性。

图2 峰值电流与1ms转移电荷量和1ms作用积分间的关系

3、不同距离回击电场波形特征分析

先导电场峰值和回击电场峰值展现出随距离的增加而减小的趋势，10-90%上升时间和半峰值宽度呈现出随距离的增加而增大的趋势。

为了比较不同距离下回击电场波形特征的差异，将先导电场峰值与回击电场峰值进行了归一化处理。将峰值电流水平归一为15kA，去除电流峰值大小差异对电场峰值的影响。

对回击电场峰值（E RS ）和距离（D）进行拟合分析如图4所示，二者呈现幂函数相关，回归方程E RS =1117×D -0.9 ，相关系数R 2 =0.99，为强相关。

图3 58m和90m处回击电场波形参数分布

图4 回击电场峰值与距离之间的关系

4、不同距离电场幅度与峰值电流间的关系

峰值电流与不同距离的先导电场峰值和回击电场峰值间均呈现出线性关系。1600m的样本量虽然最小，但明显优于58m和90m的拟合效果。时域电场可以分为三部分，分别是静电场、感应场与辐射场，随着距离的增加，分别随距离倒数的三次方、二次方和一次方衰减。

这也就意味着，较远距离电场峰值是与电流峰值呈正比的，可以使用远距离的电场峰值估算自然闪电回击的电流峰值。而较近距离时电场由静电场、感应场和辐射场三部分组成，不是单纯的线性关系，所以距离越远拟合的线性度越好。

图5 先导电场峰值和回击电场峰值与峰值电流之间的关系

结论

本文对火箭引雷的回击电流及不同距离电场波形特征进行了分析。回击的间隔时间、峰值电流、10-90%上升时间、半峰值宽度、1ms转移电荷和1ms作用积分的几何平均值分别为38.45ms、12.38kA、0.25μs、8.31μs、0.68 C和 2.12× 10 3 A 2 · s，回击电流的转移电荷量和作用积分量均与回击峰值电流呈幂函数相关性。

回击的先导电场峰值和回击电场峰值会随距离的增大而减小，而电场的10-90%上升时间和半峰值宽度会随距离的增大而增大。回击电场峰值会随距离的增大而呈现出幂函数减小，且峰值电流与不同距离的先导电场峰值和回击电场峰值均呈现一定线性相关，距离越大，其线性拟合关系越好。

团队介绍

蔡力

蔡力，武汉大学电气与自动化学院教授、博士生导师、院长助理。2008年和2013年分别于武汉大学获得学士和博士学位。长期从事雷电物理、雷电探测与雷电防护等方面的研究工作，主持国家自然基金、GF基础科研、国家电网公司、南方电网公司科技项目10余项。以第一作者及通讯作者发表SCI/EI论文100余篇，其中SCI论文60余篇。授权专利25项，其中发明专利15项，担任CIGRE WG C4.57工作组成员、第四届IDCOMPU大会秘书长等。获全国学会及省部级奖励8项。

本工作成果已发表在2024年第1期《电工技术学报》，论文标题为“火箭触发闪电的回击电流及电场特征分析”。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

蔡力, 杜懿阳, 彭向阳, 周蜜, 王建国. 火箭触发闪电的回击电流及电场特征分析[J].电工技术学报, 2024, 39(01): 257-266. CAI Li, DU Yiyang, PENG Xiangyang, ZHOU Mi, WANG Jianguo. Analysis of the current and electric field characteristics of rocket-triggered lightning return strokes. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(01): 257-266.

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